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www.kilovolt.chErfreulicherweise erhalte ich immer mal wieder Feedback zu meiner bescheidenen Webpage. Allerdings tauchen auch immer wieder dieselben Fragen auf, die ich hier vorweg mal versuche zu beantworten.
Warum spielt ein Tennisspieler Tennis? Warum sammelt ein Briefmarkensammler Briefmarken? Bringen diese Tätigkeiten irgendwas? Nicht wirklich, aber es macht in erster Linie Spass, ist spannend und nicht zuletzt lehrreich. Ich würde diese Freizeitbeschäftigungen und die daraus entstandenen Freundschaften mit Gleichgesinnten nicht mehr missen wollen.
Nein, ich verkaufe definitiv kein Material. Erstens aus Gründen der Haftung, zweitens will ich keinen Handel betreiben (habe ein geregeltes Einkommen, welches mir genügt). Auf ebay findet man ab und zu fertige Teslaspulen, der Selbstbau macht jedoch viel mehr Spass.
Unter gewissen Umständen. Zwar spürt man durch die hohen Frequenzen keinen Schmerz beim Berühren einer TC-Entladung und man sieht im Internet auch immer wieder Leute, die Entladungen von TCs auf sich ziehen, aber man sollte folgendes nicht vergessen:
- Sollte es zu einem Überschlag von der Sekundärspule in die Primärspule kommen, so besteht durch den Funken eine leitende Verbindung zwischen Sekundärkreis und Primärkreis, was zu einer gefährlichen Situation führt, denn zur hochfrequenten Hochspannung der Teslaspule kommt dann die lebensgefährliche 50Hz-Komponente des Hochspannungstrafos hinzu, was etwa gleichbedeutend ist wie wenn man den Output des 50Hz-Hochspannungstrafos direkt berühren würde. Eine solche Situation kann tödlich enden.
- Selbst die hochfrequente Komponente ist heikel. Zwar spürt man nichts beim Berühren, da die Nerven nicht direkt auf die schnellen Richtungsänderungen des Stromes reagieren können, aber bei hohen Leistungen können die Nerven trotzdem geschädigt werden und es besteht eine Verbrennungsgefahr der inneren Organe und der Eintritts- und Austrittsstellen (Hände, Füsse)
Das ist oft nicht so einfach zu sagen. Es gibt viele Fehlermöglichkeiten. In den meisten Fällen liegt das Problem jedoch nicht in der Endstufe selber, sondern im Treiberteil. Das wichtigste bei einer SSTC ist die saubere Ansteuerung der Mosfets in der Brücke. Es geht darum, dass das Rechtecksignal an den Gates der Mosfets möglichst steile, schnelle Flanken aufweist. Dies sollte unbedingt vor dem Einschalten der Brücke mit einem Scope überprüft werden. Warum ist die Flankensteilheit der Ansteuersignale so wichtig? Der Mosfet kennt eigentlich nur zwei ideale Zustände, bei denen eine niedrige Verlustleistung umgesetzt wird, nämlich "voll leitend" und komplett "gesperrt". Schauen wir den ersten Fall an. Ist der Mosfet leitend, so ist seine Drain-Source-Strecke niederohmig, das heisst, es fliesst ein hoher Strom aber es liegt keine hohe Spannung an. Dies bedeutet, die Verlustleistung über dem Mosfet ist gering, weil die Spannung niedrig ist. Beim zweiten Fall sieht es ähnlich aus. Der Mosfet sperrt, was bedeutet, dass zwar eine hohe Spannung über der Drain-Source-Strecke anliegt, aber der Strom ist niedrig bzw. fast Null. Die Verlustleistung ist daher wiederum niedrig, wodurch der Mosfet entsprechend kühl bleibt. Jeder "Zwischenzustand" ist jedoch mit hohen Verlustleistungen behaftet, weil dann sowohl Strom durch den Fet fliesst als auch Spannung anliegt. Dies bedeutet nun in der Praxis, dass diese Zwischenzustände möglichst vermieden werden müssen, bzw. dass eben das Rechtecksignal zum Ansteuern des Fets möglichst schnell zwischen beiden Idealzuständen schalten muss. Dies wiederum bedingt eine gute, leistungsfähige Ansteuerschaltung. Man könnte nun vielleicht denken, dass ein Mosfet ja spannungsgesteuert wird und daher keine grosse Treiberleistung zur Verfügung gestellt werden muss. Dies ist jedoch ein Irrtum, weil zwischen Gate und Source des Mosfets eine Kapazität besteht, welche im Takt des Ansteuersignals umgeladen werden muss. Bei sagen wir mal 500kHz und einigen nF benötigen diese Umladevorgänge bereits eine beträchtliche Leistung im Wattbereich und es kann eine ziemliche Herausforderung bedeuten, ein anständiges Rechtecksignal hinzukriegen. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass ca. 200ns Flankensteilheit ein guter Wert ist für Spulen mit einer Resonanzfrequenz im Bereich um die 300 bis 400kHz.
=> Siehe auch Thema: "Warum MOSFETs sterben"
Es ist in der Tat teilweise etwas schwierig, an das erwähnte Material zu kommen. Vieles findet man bei Auktionshäusern wie ebay und ricardo oder auf Flohmärkten. Neontrafos bekommt man naheliegenderweise von Neonlichtreklamegeschäften, wenn man freundlich und kompetent nachfragt. Ölbrennertrafos kann man von Heizungsbauern erhalten, Mikrowellentrafos können leicht aus alten und/oder defekten Mikrowellenöfen ausgebaut werden. Grössere Hochspannungstrafos wie beispielsweise Messwandler kann man von lokalen Energieversorgern bekommen (habe selber gute Erfahrungen gemacht, als ich nachfragte). Für Kupferlackdraht gibt es eine gute und günstige Quelle in Deutschland, nämlich die Firma Sauter AG. Kupferlackdraht kann man auch in kleineren Mengen bei Conrad oder Distrelec beziehen, oder man kann ihn zur Not auch aus Relais, Trafos und Motoren ausschlachten. Meist ist dies jedoch nicht nur eine mühselige Angelegenheit, sondern der Draht ist dann oft auch geknickt oder gewellt und lässt sich entsprechend schlecht wieder für eine TC-Sekundärspule verwenden. Hochspannungsfeste Bauteile findet man immer wieder mal auf ebay. Allerdings sind kommerzielle HV-Bauteile oft fast nicht bezahlbar. Die meisten HV-Bauteile lassen sich jedoch aus einer Kombination von mehreren Niederspannungsbauteilen herstellen, also beispielsweise eine HV-Diode mit 20kV könnte aus einer Kette von 20 Stück in Serie geschalteter 1N4007 Dioden (1000V pro Diode) hergestellt werden. Gleiches kann man natürlich auch mit Kondensatoren (MMC = Multi Mini Capacitor) oder mit Widerständen (MMR = Multi Mini Resistor) machen. Auch Kontakte zur Röntgenindustrie können sehr hilfreich sein, um an gutes HV-Material ranzukommen.
Parallelschaltungen sind meist ohne grosse Probleme möglich, solange die Trafos die gleichen Ausgangsspannungen haben und phasenrichtig parallel geschaltet werden.
Serieschaltungen sind jedoch meist etwas heikler. Trafos, welche einen geerdeten Mittelpunkt an der Sekundärwicklung aufweisen, lassen sich prinzipiell nicht in Serie schalten. Die Sekundärwicklungen würden durch die geerdeten Mittelpunkte teilweise kurzgeschlossen. Lässt man die Erdung hingegen einfach weg, so ergeben sich folgende Probleme:
Die Sekundärspulen aller Trafos sind immer kapazitiv gekoppelt mit der Erde und auch mit der Umgebung, das heisst, im Prinzip kann man sich vorstellen, dass ein kleiner Kondensator zwischen Erde und Sekundärspule geschaltet ist, dessen Dielektrikum die Isolierung des Trafos und die Umgebungsluft darstellt und dessen eine Elektrode die Erde ist, die andere jeder Anschluss der Sekundärwicklung der Trafos. Dies führt zu einem Potentialunterschied zwischen Erde und Trafosekundärwicklung von der maximalen Spannung aller in Serie geschalteten Trafos zusammen. Damit ergeben sich zuerst Kriechströme, die dann später eine Kriechstrecke verursachen, was wiederum irgendwann zu einem Durchschlag auf den Kern und von da in die Primärwicklung auf den Neutralleiter verursacht.
Das andere Problem: Da alle Trafos auf der Primärwicklung zwangsläufig Erdpotential führen (auch der Neutralleiter entspricht im weitesten Sinn einer Erde, da dieser irgendwo im Haus auf einer Erdungsschiene mit dem Schutzleiter verbunden ist), entsteht natürlich auch zwischen den Primärwicklungen und Sekundärwicklungen eine hohe Spannung, welche ebenfalls bis zur maximalen Spannung aller in Serie geschalteten Trafos gehen kann. Sie führt zum gleichen Ergebnis wie im oberen Abschnitt beschrieben. Es kann also passieren, dass vom ersten Trafo über die Isolierung eine Verbindung zum Kern und zur Primärwicklung entsteht in Form eines Durchschlags, und vom letzten Trafo in der Kette ebenfalls auf den Kern zur Primärwicklung.
Vermeiden könnte man die obenstehenden Problematiken der Serieschaltung, indem man jeden einzelnen HV-Trafo mit einem sauber isolierten Trenntrafo speist (mindestens soviel Isolierung wie die gesamte Sekundärspannung ergeben soll). Dieser Aufwand dürfte jedoch in den meisten Fällen nicht gerechtfertigt sein. Es ist einfacher, einen Trafo zu finden, der gleich die gewünschte Hochspannung liefern kann.
Wie sieht es mit Serieschaltungen aus bei HV-Trafos, welche eine potentialfreie Hochspannungswicklung haben? Diese sind ein Sonderfall. Grundsätzlich lassen sich immer mindestens zwei solcher Trafos primärseitig antiparallel und sekundärseitig mit geerdetem Mittelpunkt antiseriell zusammenschalten. Wenn die Isolierungen gegen den Kern genügend gut sind (bei gewissen zweipoligen Messwandlern beispielsweise), lassen sich auch mehr als zwei Stück in Serie schalten oder zwei Stück ohne Mittelpunkterdung. Die Schaltung mit der Mittelpunkterdung ist jedoch auf jeden Fall die sicherste, denn hier entsteht nirgends eine höhere Spannung gegen Erde als jeder einzelne Trafo liefern kann.
Auf Grundlagenfragen zur Elektronik/Elektrotechnik kann ich leider nicht eingehen. Dies würde schlicht und einfach zu weit führen. Ausserdem gibt es eine ganze Menge hervorragender Elektronik-Seiten im Internet, welche sich mit solchen Fragen auseinandersetzen und diese anschaulich und gut beantworten bzw. teilweise ganze Kurse zur Verfügung stellen. Eine gute Quelle ist beispielsweise das hier: http://www.elektronik-kompendium.de/